太赫兹超材料传感器研究进展综述

作者及发表信息
本文由Xue Li、Jingye Sun、Qing You、Yuning Li和Tao Deng合作完成，作者均来自北京交通大学电子信息工程学院。该综述发表于《IEEE Sensors Journal》2025年11月刊（VOL. 25, NO. 21），标题为”Recent Progress in Novel Terahertz Metamaterial Sensors: A Review”。

研究背景与意义
太赫兹（THz，Terahertz）波段（0.1-10 THz）因其独特的指纹特性、非电离辐射和对非极性物质的强穿透能力，在传感领域展现出巨大潜力。然而，自然界中能有效响应太赫兹波长的材料稀缺且昂贵，限制了该技术的发展。人工电磁超材料（Metamaterials, MMs）通过周期性的亚波长结构设计，可克服自然材料的限制，实现局域电场增强和高品质因数（Q值），并对环境介电常数的微小变化极度敏感，这为太赫兹技术提供了新的应用可能。本文系统回顾了太赫兹超材料传感器（TMS）的传感机制、特征参数、最新研究进展及未来挑战。

核心内容与主要观点

1. 传感机制与特征参数
   太赫兹超材料传感器的原理是将周围介质介电常数的变化转化为电磁信号光谱变化，表现为共振峰的偏移。传感性能通过三个关键参数评价：
   

• 灵敏度（Sensitivity, S）：定义为频率变化（Δf）与折射率变化（Δn）的比值，量化单位折射率变化引起的频率偏移。
  
• 品质因数（Quality Factor, Q）：反映谐振器能量损耗程度，Q值越高，共振峰越尖锐。
  
• 优值（Figure of Merit, FOM）：综合灵敏度与半高宽（FWHM）的指标，FOM = S/FWHM，用于跨频段性能比较。
  文中推导了LC共振（低频）和等离子体共振（高频）的数学模型，指出结构尺寸确定后，光谱变化主要源于超材料周围介电常数的改变。
  

1. 超材料传感器分类与进展
   （1）金属基TMS：
   

• 经典结构如裂环谐振器（SRR）通过局域电场增强实现高灵敏度检测。例如，Tao等开发的纸基传感器可检测葡萄糖浓度变化（最大偏移300 GHz）；Qin设计的金属环裂结构传感器可检测0.1 mg/L的四环素残留。
  
• 电磁诱导透明（EIT）效应可产生窄带透明窗口，Zhang等利用SRR与切割线结构实现2.24 THz的EIT-like共振，灵敏度达496.01 GHz/RIU。
  
• 局限性：金属图案易损伤，长期稳定性不足。
  

（2）全电介质TMS：
- 以硅（Si）等低损耗材料替代金属，显著提高Q值。Wang等设计的Si基完美吸收体（PMA）对毒死蜱的检测限达0.1 ppm。
- 连续态束缚态（BIC）理念的引入突破Q值极限。Cai等通过打破Si结构对称性实现Q=72,121，FOM达951.32 RIU⁻¹。
- 挑战：增强电场常局限于谐振器内部，与待测物相互作用区域有限。

（3）碳基TMS：
- 石墨烯凭借可调费米能和π-π堆叠效应，成为高灵敏度传感器的理想材料。Ge等设计的双透明窗传感器灵敏度达1.08 THz/RIU。
- 碳纳米管（CNT）通过范德华力吸附分子，Wang等的CNT传感器对葡萄糖检测限低至30 ng/mL，比金属基传感器高两个数量级。

（4）混合材料TMS：
- 石墨烯-金属异质结构结合局域场增强与化学惰性。Xu等开发的石墨烯-超材料传感器对含π电子的毒死蜱甲基检测限达0.2 ng。
- 半导体（如InSb）与石墨烯的温敏特性被用于多功能传感器，Ma等的设计同时实现温度（6.2 GHz/K）和折射率（1.43 THz/RIU）传感。

1. 表面修饰技术与微流控集成
   

• 抗体/适配体修饰：Zhou等将凝血酶适配体水凝胶与超材料结合，检测限低至0.40 pM。但抗体分子可能堵塞亚波长间隙，且再生困难。
  
• 功能化纳米颗粒：Yang等通过滚环扩增（RCA）与金纳米颗粒（AuNPs）结合，实现金黄色葡萄球菌DNA的2.77 fM检测。
  
• 微流控技术：Weisenstein等的衬底集成微流控系统仅需0.154 nL样本量；Xu等在聚二甲基硅氧烷（PDMS）柔性基底上构建电裂环谐振器（eSRM），实现单颗粒捕获与传感。
  

研究价值与未来展望
本文的系统综述为太赫兹超材料传感器领域提供了三大贡献：
1. 理论框架：阐明传感机制与性能优化路径，如通过对称性破缺设计高Q谐振器。
2. 技术路线图：对比金属、电介质、碳基等材料的优劣，指导实际应用选型。例如生物医学检测需权衡金属的场增强效应与碳材料的生物相容性。
3. 交叉创新方向：指出人工智能辅助逆向设计、多功能集成（传感-成像-分析一体化）等未来突破点。

重要发现与创新点
- 材料创新：全电介质超材料将Q值提升至10⁵量级，碳基材料通过分子吸附机制实现pg/mL级检测。
- 结构设计：BIC与Toroidal Dipole（环形偶极子）等新型共振模式显著降低辐射损耗。
- 应用扩展：微流控技术克服水分子强吸收难题，推动液态样本检测实用化。

本文不仅为研究人员提供了技术全景，更强调太赫兹超材料传感器在生物医学、食品安全等领域的产业化潜力，其核心挑战在于平衡灵敏度、选择性与规模化生产的可行性。